Zsiborács Henrik1 - Dr. Pályi Béla2
A Napelemes forgatás összefüggései nyári időszakban Magyarországon
[email protected] 1PE
Georgikon Kar, Környezetgazdálkodási és Vidékfejlesztési agrármérnök 2PE
Georgikon Kar, egyetemi docens
A hazai energiaellátás jellemzői Magyarország energiafelhasználása 2012-ben 998 PJ volt, melynek 43,9%-a hazai termelés és 56,1%-a import. A megújuló és kommunális hulladék részaránya az összes energiafelhasználásból 9%. (Magyar Villamosenergia-rendszer (VER) éves statisztikai adatai, 2012). Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve célkitűzésként a kötelező minimum célszámot meghaladó, 14,65 százalékos cél elérését tűzte ki 2020-ra. A megújuló energiákra épülő zöldipar egyik alappillére a napenergia. Magyarországon a századforduló óta végeznek rendszeres megfigyeléseket a napsugárzásra és a napsütés időtartamának regisztrálására. Magyarország szélességén a légkör külső határán 9542 MJ/m2-nyi energia érkezik, melynek 45-50%-a éri el a felszínt. Ez az érték ~4300-4800 MJ/m2, ami ~1200-1300 kWh/m2-t jelent (Hidvégi, 2010). A fotoelektromos hasznosítás eszközei A fotovillamos napenergia-hasznosítás legalapvetőbb eszköze a napelem, amely a napsugárzás energiáját alakítja át közvetlenül villamos energiává. A napelemek készítésének alapanyaga megfelelő vastagságú p-n átmenettel (lyuk-elektron párt szétválasztó réteggel) rendelkező félvezető. Ebben zajlik le az energiaátalakítás folyamata. A jó hatásfokú energia átalakító eszköz készítéséhez általában egykristályos vagy polikristályos szilíciumot használnak (Dr. Farkas, 2003, fft.szie.hu, www.m0ukd.com) (1. ábra).
1.
ábra: Az egykristályos és polikristályos szilícium napelem elvi felépítése, valamint egy polikristályos napelem cella
A kereskedelmi forgalomban kapható napelem modulok mérete és teljesítménye tág határok között változik. A felső mérethatár néhány négyzetméter, a névleges teljesítmény pedig néhány száz Watt nagyságrendben van. A napelemek általában műanyagba vannak beágyazva, a modulokat pedig alumínium keretszerkezet határolja, ami lehetővé teszi a tartószerkezethez való rögzítést (Dr. Farkas, 2003).
549
Egykristályos szilíciumból készült napelemek A legelterjedtebb napelem alapanyag az egykristályos szilícium (2. ábra). A homokból szénnel történt kémiai reakciója útján, majd különböző kémiai és termokémiai eljárások alkalmazásával nyert tisztított szilícium alapanyagot egykristállyá húzzák, majd ezt követően szeletelik. Az egykristályhúzási technológia korlátozza a méreteket, de egyre nagyobb átmérőjű egykristályokat állítanak elő. Jelenleg 6”-os, ~150 mm átmérőjű egykristályt gyártanak ipari méretekben. Diffúziós félvezető technológiai eljárásokkal alakítják ki a töltésszétválasztó p-n átmenetet és vákuum, illetőleg szitanyomásos eljárással hozzák létre az áramelvezető kontaktusokat. A kedvezőbb hatásfokot optikailag illesztett reflexiócsökkentő bevonat és/vagy többszöri reflexió kialakításával érik el. Az így kialakított napelemek energiaátalakítási hatásfoka napjainkban már 15-17%-ot is eléri. Laboratóriumi körülmények között azonban már 23,5% hatásfokú szilícium napelemek is készültek, sőt többrétegű napelemekkel 30% fölötti hatásfokot is mértek (Dr. Farkas, 2003).
2.
ábra: Egykristályos napelemek kiépített állapotban
Polikristályos szilíciumból készült napelemek A polikristályos anyagszerkezet tulajdonképpen oszlopos egykristályszemcsék együttesét jelenti, tehát nem homogén egykristály. Az öntési eljárás jelentős energia megtakarítást jelent az egykristályhúzáshoz képest, ugyanakkor nagy, 500 mm-nél nagyobb él hosszúságú hasáb alakú polikristálytömbök gyártását teszi lehetővé. A polikristálytömb szeletelése után az egykristályos szilícium napelem technológiai lépéseit alkalmazzák azzal a különbséggel, hogy egy további speciális – általában ún. hidrogénezési – lépés alkalmazása szükséges_az_egykristály_szemcsék_határátmenetének inaktivizilására. Az így kialakított napelemek energiaátalakítási hatásfoka 13-15%. Laboratóriumi körülmények között azonban már 18% hatásfokú szilícium napelemek is készülnek (Dr. Farkas, 2003). A napelemes napkövetés A napelemes rendszerek energiatermelésének fokozására több lehetőség is kínálkozik. A napelemek akkor termelnek maximálisan, ha a felületükre érkező napsugárzás merőleges szögben éri azokat. A statikusan elhelyezett napelemes rendszer esetében ez az állapot legfeljebb naponta egy alkalommal állhat fenn, viszonylag rövid ideig. Mivel a Nap látszólagos pályája évszakonként és napszakonként egyaránt eltér, így a folyamatosan merőleges beesési szöget csak úgy tudjuk napközben fenntartani, ha mozgatjuk a napelemeket is. Ennek a
550
módszernek is több változata van, egyrészt a nappálya követésével egy tengelyű mozgatással vagy kéttengelyű követéssel, ami a napmagasságnak megfelelően is alkalmazkodik a beesési szöghöz. A lehetőség és az alkalmas berendezések tehát rendelkezésre állnak, de alaposan meg kell fontolni, hogy mikor válasszuk ezt a megoldásokat. A napelem mint eszköz alapvetően azért olyan megbízható energiatermelő, mert a meghibásodására, megfelelő minőségű gyártmány esetén szinte egyáltalán nem kell számítani. A napelem nem tartalmaz mozgó, kopó alkatrészeket és a félvezető technológia is alacsony meghibásodási kockázattal bír. Bátran számíthatunk tehát arra, hogy a fixen telepített napelemek hosszú évtizedekig jó teljesítenek majd. Abban az esetben viszont, ha egy mechanikus működésű napkövető berendezésre telepítjük a napelemeket, úgy annak előnyei mellett belép egyfajta mechanikai szerkezetből adódó kockázat is. A napkövető berendezést általában nem telepíthetjük magas pontokra, kerülve az árnyékhatásokat, így leginkább a földön helyezzük el azokat. Amennyiben mégis magasan helyezzük el a napkövető szerkezetet, úgy figyelemmel kell lenni a szélterhelésre is, ami minden irányból érheti a felületet. Akkor viszont, ha a földre helyezzük a napkövető rendszert szintén nagyon körültekintően kell eljárni. A telepítés nagy valószínűséggel a kedvezőbb időjárási viszonyok között és a nyári napmagasság idején fog történni. Ekkor már gondolni kell arra is, hogy télen a környező tereptárgyak árnyékhatása a keletről-nyugatra széles vonalban rávetülhet a napelemes rendszerre, ami hátránnyá is változtathatja a mozgatásból remélt előnyt. Ideális lehet az az állapot, ha a napkövető rendszer telepítésének helyszíne előtt sík terep található vagy egy kiemelkedő dombra helyezzük az eszközrendszert. Eldöntendő kérdés mindezek figyelembevétele mellet az is, hogy milyen nagyságú napelemes rendszert érdemes napkövető berendezésre telepíteni. Ennél a döntésnél érdemes mérlegelni a kockázati tényezőket és a mozgatásból adódó többlettermelés hozamát. A nagyobb beépített teljesítmény esetén viszont jelentősen megnövekvő energiatermelés már kompenzálhatja a napkövető berendezés árát és a mechanikai kockázatát. A két eset között nagyobb lehet a kockázat, mert a napkövető meghibásodása vagy az árnyékhatás ekkora beépítettség mellett már több gondot okozhat, mint az elvárt hozamnövekedés reménye sejtet (www.napelemcentrum.hu). A vizsgált napelemes rendszerek A kutatásban Pécs, Szeged, Csömör és Martfű fixen telepített rendszerei valamint a Parasznyai forgatós napelemes rendszer került összehasonlításra, valós időjárási körülmények között. Az adatokat a Sunnyportal honlap szolgáltatta, amellyel a napelemes rendszerek adatrögzítői állandó online kapcsolatban állnak. A honlapon több, mint 150 ezer napelemes rendszerről kaphatunk aktuális információt. Pécsen 3db egymás mellett lévő napelemes kiserőmű került kiválasztásra. A napelemek beépített névleges teljesítménye 2,1 kWp (Kyocera 240 Wp, Poly), 2,1kWp (Kyocera KD210GH-2PU, Poly) és 2,6kWp (King-Pv KPV-260, Mono) (www.sunnyportal.com). A Parasznyai napelemes erőmű 4.00 kW-os beépített névleges teljesítménnyel üzemel, Heckert-Solar (225Wp, Poly) modulokkal (www.sunnyportal.com). Szegeden 1db 3,264kWp (240Wp Poly), Csömörön 1db 5,25kWp Solar Energy NES72-5-175 Mono) és Martfűn 5,3 kWp (Poly) napelemes kiserőmű került kiválasztásra (www.sunnyportal.com). A 2013-as nyári globálsugárzási adatok az Országos Meteorológiai Szolgálat honlapján található. Ez a térkép került felhasználásra az energetikai korrekciók miatt, mivel a napelemes kiserőműveknél nem egyforma a beeső energia a (3. ábra). A globálsugárzási adatok egységesítésével egy közös nevező létrehozása lehetséges, amivel azt lehet kideríteni, hogy azonos sugárzási feltételek mellett többet vagy kevesebbet termel egy erőmű (www.met.hu).
551
551
3.
552
ábra: A 2013-as nyár globálsugárzás összege (kJ/cm2)
A beépített teljesítmények nem azonosak ezért az egységnyi napelem teljesítményre (NE) jutó nyári energiatermelést (1W-nyi napelem felületre értve) az 1. táblázat szemlélteti kiértékelve. 2013-as nyári adatok
Pécs 2
Szeged
Csömör
Martfű
Pécs 1
Pécs 3
Parasznya
2,6
3,264
5,25
5,3
2,1
2,1
4,05
King-Pv KPV-260 (Mono)
Poly
Solar Energy NES72-5175M
Poly
Kyocera KD210G H-2PU (Poly)
Kyocera 240 Wp (Poly)
HeckertSolar 225W (Poly)
Júniusi termelési adatok (kWh)
332,696
461,505
707,838
755,451
291,06
322,222
609,385
Júliusi termelési adatok (kWh)
415,856
541,938
858,317
920,269
353,081
393,052
801,083
Augusztusi termelési adatok (kWh)
348,768
457,916
769,144
811,198
297,701
333,932
684,379
Termelés (kWh)
1097,32
1461,359
2335,299
2486,918
941,842
1049,206
2094,847
Egységnyi NE teljesítményre eső 3 havi energiatermelés (Wh/NE {1W})
422,046
447,720
444,819
469,23
448,496
499,622
517,25
Nyári átlagos beeső energia (kJ/cm2)
201
211
201
211
201
201
181
-
(-)5
-
(-)5
-
-
(+)10
Korrigált 3 havi energiatermelés (Wh/NE {1W})
422,04
425,334
444,82
445,768
448,49
499,62
568,97
A fixen telepített kristályos rendszerek hozama a forgatóshoz képest (%)
74%
75%
78%
78%
79%
88%
100%
NE beépített teljesítménye (kW)
NE típusa
összesen
Globálsugárzási korrekció (%)
A fixen telepített kristályos rendszerek átlagos hozama a forgatóshoz képest (%)
79%
A forgatós rendszer átlagos többlethozama (%)
21%
1.
táblázat. A kiértékelt nyári energiatermelés egységnyi napelem egységre átszámítva, globálsugárzási korrekcióval.
553
553
Költségek összehasonlítása, eredmények összegzése A Parasznyai napelemes erőmű a 2009-ben meghirdetett, ÚMVP IV. tengely (LEADER) pályázati konstrukción belül, BÜKK-MAK LEADER Közösségi Energiaudvarok fejlesztése jogcímen a Pitypalatty Területfejlesztési és Egyéb Szolgáltató Nonprofit Kft. pályázatot nyújtott be 4 kW napelem és naperőmű telepítése célterületre (4.ábra). A rendszert a parasznyai Művelődési Központ használja, mely 8,29 millió forintba került. Ebből az összegből ma átlagosan egy 20 kWp-s háztartási méretű kiserőmű tudna megépülni (www.napelemdepo.hu).
4.
ábra. A Parasznyai forgatós erőmű
2014-ben egy 4kW-os napkövetős rendszert átlagosan 4 millió forintból meg lehet valósítani. Ebből az összegből hozzávetőleg egy 8 kW-os fixen kitelepített rendszert lehetne megvalósítani, ami megközelítőleg 65%al nagyobb rendszernek tekintendő nyári időszakban a forgatóshoz képest. (www.napelemdepo.hu). A Parasznyán lévő forgatós napelemes rendszer hozzávetőleg 21%-al képes több energiát termelni nyári időszakban, mint a fixen kiépített napelemes rendszerek. Ez a többletenergia egyáltalán nincs összhangban a bekerülési értékével. Sokkal célszerűbb 21%-al több napelem megvásárlása és rögzített pozícióban történő elhelyezése.
554
Irodalomjegyzék • Dr. Farkas István (2003): Napenergia a mezőgazdaságban. Mezőgazda Kiadó, Budapest. • MAGYARORSZÁG MEGÚJULÓ ENERGIA HASZNOSÍTÁSI CSELEKVÉSI TERVE 2010– 2020_Pdf, 9. oldal,
• •
• •
•
• • • • • • • • • •
http://www.kormany.hu/download/2/b9/30000/Meg%C3%BAjul%C3%B3%20Energia_Magyarorsz %C3%A1g%20Meg%C3%BAjul%C3%B3%20Energia%20Hasznos%C3%ADt%C3%A1si%20Cselekv %C3%A9si%20terve%202010_2020%20kiadv%C3%A1ny.pdf , 2013. június 18. A M A G Y A R V I L L A M O S E N E R G I A - R E N D S Z E R ( V E R )2 0 1 2 . É V I S T A T ISZTIKAIADATAI http://www.mavir.hu/web/mavir/a-magyar-villamosenergia-rendszer-statisztikai-adatai, 2013. június 18. Hidvégi Henrik , Napenergia hasznosításának lehetőségei Szeged és vonzáskörzetében konferencia: 2011. június 30, 6-8 oldal. http://www.archenerg.eu/sites/default/files/110630_hidvegihenrik_szolar_eloadas_0.pdf, 2013. július 11. G03 előadás, A fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai http://fft.szie.hu/fizika/Turkalo/napenergiahaszn/G03%20%20A%20napenergia%20hasznositas%20a lapjai.pdf,13. oldal G04 előadás, A Napelem technológiák és jellemzőik http://fft.szie.hu/fizika/Turkalo/napenergiahaszn/G04%20%20Napelem%20technologiak%20es%20jellemzoik.pdf ,1. oldal. http://www.m0ukd.com/Solar_Panels/index.php E UROPEAN SOLAR THERMAL INDUSTRY FEDERATION (ESTIF), Napenergiából hõenergia, a fenntartható, fûtés és hûtés, technológiái http://www.erec.org/fileadmin/erec_docs/Projcet_Documents/RES_in_EU_and_CC/HUsolartherma l.pdf http://www.napelemcentrum.hu/index.php?option=com_content&view=article&id=96:a-napelemesrendszerek-termelesenek-fokozasa-napkoevetes&catid=35:tudasbazis&Itemid=78 http://www.sunnyportal.com/Templates/PublicPageOverview.aspx?page=7f838370-107c-4dfa-bea3f013f5b2ef88&plant=a3872d22-3c83-4dd6-be8c-6746db8b8c27&splang=en-US http://www.sunnyportal.com/Templates/PublicPageOverview.aspx?page=d0841084-4ffb-4858-a05a516009324af9&plant=9d614761-7353-4ea8-a92b-dd218c16e21d&splang=en-US http://www.sunnyportal.com/Templates/PublicPageOverview.aspx?page=99e5bfbb-90d3-415b-86214b2f6f66c623&plant=bedf024d-d54f-4750-bf03-05d6f1631aac&splang=en-US http://www.sunnyportal.com/Templates/PublicPageOverview.aspx?page=ec9c7f1f-85bc-4a59-9ec7e46e6fa466fb&plant=1c449d78-d3dd-4d1d-864a-805b7cf384b6&splang=en-US http://www.sunnyportal.com/Templates/PublicPageOverview.aspx?page=770c9887-2cf0-4bf1-a6bffe7fc1f9577f&plant=ad26532d-49e2-4fe0-be03-c7e1c0824ead&splang=en-US http://parasznya.hu/?page_id=927 http://napelemdepo.hu/termekoldal/page/2 http://met.hu/eghajlat/magyarorszag_eghajlata/eghajlati_visszatekinto/elmult_evszakok_idojarasa/mai n.php?no=1&ful=globalsugarzas http://www.kazanplaza.hu/kepek/nagy_kepek/kazanplaza/term_1298_2_1366186686.jp http://nol.hu/tud-tech/20110412-a_kacsalabon_forgo_eromu-10378
555
555
